View
250
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
MAGNETNE POJAVE -STACIONARNO MAGNETNO
POLJE
MAGNETNE POJAVEMAGNETNE POJAVE --STACIONARNO MAGNETNOSTACIONARNO MAGNETNO
POLJEPOLJE
Uočeno je da ruda gvožđa - magnetit (Fe3O4) privlači sitnije komadegvožđa
MagnetizamMagnetizam
Magnetizam je fenomen da neki materijali delujuprivlačnom ili odbojnom silom na druge materijale
Magnetne pojave bile su poznate još u staroj Grčkoj
Tales, a kasnije i drugi grčki filozofi, pisali su o neobičnom ponašanjugvozdene rude
Osobina je nazvana magnezitam a predmeti koji imaju svojstvoprivlačenja - magneti
Ruda gvožđa magnetit, kao i magnetizam, nazvani su prema nalazištuove rude (u blizini maloazijskog grada Magnezije)
U 13. veku otkriveno je da i gvožđe postaje magnetično ako se prekonjega prelazi drugim magnetom
Tako je otkriven magnetizam - pojava da nekavrsta kamena privlači gvožđe
Po predanju, pastir koji je čuvao ovce primetioje da se njegov gvozdeni štap priljubio uz jednustenu
Taj kamen je bila ruda magnetit
Tako nastaju veštački magneti
Nastajanje i suštinu pojave magnetizma, objasnio je tek 1820. godinedanski fizičar Ersted (Hans Christian Oersted)
OnoOno ššto je poznato iz iskustva ...to je poznato iz iskustva ...
Magnet u obliku šipke privlači gvozdeneiglice i podiže ih sa stola
Sila privlačenja največa je na krajevimašipke – oni se nazivaju polovima magneta
Osnovne manifestacije magnetnih pojavaOsnovne manifestacije magnetnih pojava
OnoOno ššto je poznato iz iskustva ...to je poznato iz iskustva ...
Ako se magnet u obliku tankog štapa obesi,tako da se može slobodno obrtati uhorizontalnoj ravni, magnetni štap će seokrenuti i postaviti u pravcu sever–jug
Pol magneta koji se okrene kageografskom severu naziva se severnipol i označava se slovom N (eng. North)
Pol magneta koji je okrenut kageografskom jugu naziva se južni pol ioznačava se slovom S (eng. South)
Istoimeni polovi se odbijaju, araznoimeni privlače
Što je veće rastojanje izmeđupolova, dejstvo sile je manje
Dejstva raznoimenih polova se poništavaju
Dejstvo između polovaDejstvo između polova::
Ako se severni pol magneta približi severnom polu slobodno obešenemagnetne igle, ona će se zakrenuti tako, da se njen severni poludalji od severnog pola magneta (analogno važi i za južne polove)
Ako se severni pol magneta približi južnom polu magnetne igle, doćiće do međusobnog privlačenja
Posledica međudelovanja magneta je magnetna sila (odbojna iprivlačna)
Magnetne sile najjače su u blizini polova magneta
Ako se magnet u obliku šipke podeli,nastaju dva nova manja magneta
Svaki od njih ima dva magnetna pola
Daljom deobom dobijaju se samo jošmanji magneti sa po dva pola
Magneti sa samo jednim polom nemogu se ostvariti
Ako se zamisli da se ovaj proces ponovi mnogo puta, može sepostaviti hipoteza da su najmanji elementi magneta (elementarnimagneti) takođe magneti, čime se objašnjava čitav niz magnetnihpojava
Deljenje magneta
Prema savremenim shvatanjima nauke, smatra se da se materijasastoji od mnoštva elementarnih magneta
Ovakav materijal ne pokazuje magnetne osobine – za njega sekaže da nije namagnetisan
Ako su oni, statistički gledano, haotično orijentisani, ukupan zbirnjihovih dejstava (sa makroskopske tačke gledišta) jednak je nuli
Namagnetisani materijali pokazuju izražene magnetne osobine –imaju polove i deluju na druge gvozdene predmete silom koja ihprivlači
Na polove drugih magneta deluju privlačnom ili odbojnom silom,zavisno od toga da li su raznoimeni ili istoimeni
Elementarni magneti namagnetisanih materijala orijentisani su uistom smislu, pa ukupan zbir njihovih dejstava (sa makroskopsketačke gledišta) nije jednak nuli
U prostoru oko magneta postoji oblast u kojoj se oseća dejstvomagneta na feromagnetne materijale (gvožđe, kobalt, nikl i nekespecijalne legure) - ona se naziva magnetno polje
Pojam magnetnog polja, kao oblast delovanja nekog magneta, uveoje Faradej, kako bi mogao da opiše dejstvo sile između polova dvamagneta
Može se reći da je magnetno polje posrednik uzajamnog delovanjamagnetnih sila
Magnetno polje se predstavlja zamišljenim linijama sila, čiji smer jeusvojen od severnog ka južnom polu
Pravac linija polja u nekoj tački određuje pravac sile koja će delovatina severni magnetni pol, ako se on postavi u tu tačku
Konfiguracija polja može se vrlo lepo videti, kada se preko magnetapostavi staklena ploča, na koju se poseju sitni gvozdeni opiljci
Ako se ploča malo protrese, oni će se rasporediti duž linija polja
Kada se na prethodni eksperiment primeni pravilo da linije poljaizlaze i severnog, a ulaze u južni pol, može se nacrtati konfiguracijapolja štapnog magneta
Kada se nenamagnetisano gvožđe postavi blizu stalnog magneta,ono i samo postaje magnet
Ova pojava nazvana je magnetna influenca
Pod dejstvom polja stalnog magneta dolazi do orijentisanja u istompravcu elementarnih magneta u gvožđu
Prevlačenjem stalnog magneta po nenamagnetisanomferomagnetnom materijalu, on i sam postaje namagnetisan
Orijentisanje elementarnih magneta prevlačenjem stalnog magneta
Kada se stalni magnet udalji, moguća su tri slučaja:
1. Elementarni magneti gube dobijenu orijentaciju, pagvozdeni predmet više nije namagnetisan (“meko gvožđe”)
2. Elementarni magneti delimično gube dobijenu orijentaciju,pa gvozdeni predmet ipak ostaje donekle namagnetisan
3. Elementarni magneti zadržavaju dobijenu orijentaciju, takoda se predmet, namagnetisan influencom, ponaša kao novitrajni magnet (magnetno “tvrdi” materijali)
Da bi se razmagnetisala namagnetisana gvozdena šipka,potrebno joj je dovesti neku količinu energije
Proces razmagnetisanja može se, na primer, izvesti
- udaranjem čekićem ili
- jakim zagrevanjem
Polje potkovičastog magneta
Između polova linije polja su paralelne
U tom prostoru polje je homogeno
Neki zanimljiviji slučajevi polja stalnih magnetaNeki zanimljiviji slučajevi polja stalnih magneta
Polje potkovičastog magneta sa gvozdenim prstenom
Magnetna polja mogu se delimično eliminisati oklopom od dobrogferomagnetnog materijala
Polje između dva istoimena pola
Polje između dva raznoimena pola
Dobija se vektorskim sabiranjem sila, koje u toj tački deluju nazamišljeni punktualni severni pol
Rezultujuće polje u nekoj tački
Linije polja najčešće se prikazuju u ravni crteža, polje je,međutim, prostorno i tako ga treba tretirati
Snimak severnog pola na komesu se po linijama polja
rasporedili gvozdeni opiljci
Linije polja pomoću modelasa žicama
Zemljino magnetno polje slično je magnetnom polju magnetnešipke, zakrivljene za 11o u odnosu na osu obrtanja Zemlje
Magnetna igla postavljena na vrh šiljka, uvek se postavlja u pravcusever - jug
Kompas Princip rada kompasa
U okolini stalnih magneta i provodnika kroz koje protiče električnastruja zapažaju se iste pojave:
a) Magnetna igla teži da se postavi u određeni položaj, a napredmete od gvožđa i uopšte, feromagnetnih materijala, delujumehaničke sile
Ove pojave su vidljive manifestacije posebnog fizičkog stanja uokolini magneta, odnosno kola kroz koja protiče električna struja
Elektromagnetna sila i vektor magnetne indukcijeElektromagnetna sila i vektor magnetne indukcije
b) Na provodnik kroz koji protiče električna struja deluje mehaničkasila – elektromagnetna sila
c) U provodnicima koji se kreću relativno u odnosu na stalnemagnete ili strujna kola indukuju se elektromotorne sile
To fizičko stanje naziva se magnetnim poljem
Danski fizičar Ersted (Hans Christian Oerstedt,1777-1851), prvi je došao do saznanja ouzajamnoj povezanosti električnih i magnetnihpojava
Pre Erstedovih otkrića magnetizam i elektricitet proučavani su kaonezavisne nučne oblasti
Razvoj nauke o magnetizmu može se podeliti na dve etape:
- do Erstedovih eksperimenata (razvijala se magnetostatika) i
- nakon Erstedovih eksperimenata (elektromagnetizam)
1819. godine otkrio je da električna struja delujemehaničkom silom na magnetnu iglu postavljenuu blizini provodnika kroz koji protiče struja
Pojam „struja“ bio je nepoznat, pa je Ersted zapaženu pojavunazvao „električnim konfliktom“
Ersted je postavio debelu bakarnu žicu u pravcu sever-jug, a ispodžice iglu kompasa
Kada u kolu nema struje, igla se orijentiše u pravcu sever-jug(paralelno žici)
Zaključak: oko provodnika kroz koji teče struja postojimagnetno polje
Ako se kolo zatvori i u njemu uspostavi struja, dolazi do skretanja igle,a smer skretanja zavisi od smera struje
Neposredno posle Erstedovog otkrića, francuskimatematičar i fizičar Amper (Ampère, André)otkriva:
sile između provodnika kroz koje protičeelektrična struja
kvantitativne odnose između električnih strujai magnetnih polja, koja potiču od njih
Amper je vršio eksperimentena metalnim provodnicima,kasnije je otkriveno da islobodna opterećenjaproizvode slične efekte, kadase kreću u magnetnom polju
Pojava magnetnog polja prati svako kretanje elektriciteta, bez obzirada li se radi o: - makroskopskim strujama
- kretanju elektrona u atomima
- obrtanju elektrona oko sopstvene ose (spin)
Nije moguće proučavati magnetna polja nezavisno od električnihpolja, već se može govoriti samo o ELEKTROMAGNETNOM POLJU
Elektrostatičko polje i stacionarno magnetno polje samo su specijalnislučajevi elektromagnetnog polja
Nema električne struje bez magnetnog polja ni magnetnogpolja bez električne struje
Danas se zna:
magnetno polje neizbežno prati električnu struju
magnetno polje je glavni simptom, kako električne struje, tako ikretanja električnih opterećenja uopšte
Na provodnik:
1. koji se nalazi u stranom magnetnom polju i
2. kroz koji se propušta električna struja
deluju mehaničke sile, koje teže da ga pokrenu i deformišu
Ovakve sile nazivaju se elektromagnetnim silama i one su rezultatmeđusobnog delovanja električne struje i magnetnog polja
Provodnik u magnetnom polju
Osnovna veličina kojom se kvantitativno karakteriše magnetno poljeje vektor magnetne indukcije B, koji se može definisati u svakojtački magnetnog polja
Jedinica magnetne indukcije naziva se „tesla“ iobeležava simbolom T, u čast jednog odnajpoznatijih svetskih pronalazača i naučnikau oblasti elektrotehnike, radiotehnike i fizike
Nikola Tesla (1856-1943)
Jedna je od osnovnih vidljivih manifestacija magnetnog polja, a odfundamentalnog je značaja za rad svih obrtnih električnih mašinai velikog broja električnih mernih instrumenata
Smer sile - pravilo desne zavojnice
Elektromagnetna sila daje osnovnu vezuizmeđu mehaničkih i magnetnih veličina
][ BldIFd
Sile i momenti koji deluju na strujnu konturu, kroz koju protičestruja I, a nalazi se u polju indukcije B, rezultat su superpozicijeelementarnih elektromagnetnih sila dF na pojedine strujne elementedužine dl:
][ BlIF
U slučaju pravolinijskog provodnika, krozkoji protiče struja I, u magnetnom poljuindukcije B, elektromagnetna sila(Amperova sila) jednaka je:
),sin( BlBlIF
Amperove sile ispoljavaju se i u slučaju kada se jedan provodniknalazi u magnetnom polju drugog strujnog provodnika
Amperove sile
Magnetno polje jednog provodnika utiče na pokretne nosiocenaelektrisanja u drugom strujnom provodniku
Ako kroz dva pravolinijska provodnika protiču struje I1 i I2, sile F1 iF2 su privlačne
Ako struje I1 i I2 imaju međusobno suprotan smer, sile F1 i F2 suodbojne
Magnetni fluksMagnetni fluks Još jedna veličina koja karakteriše magnetno polje je magnetni fluks
SS
nBdSBSdBΦ ),cos(
Fluks vektora B kroz neku površinu S,koja se oslanja na konturu C, definišese površinskim integralom:
dS - vektor elementarne površine dS
Za homogeno polje: SdBΦ
Jedinica za magnetni fluks je veber (Wb) ponemačkom fizičaru (Wilhelm Eduard Weber,1804-1891)
Magnetno polje stacionarnih struja u vakuumuMagnetno polje stacionarnih struja u vakuumu
U vakuumu važi:o
BH
magnetna permeabilnost (propustljivost) vakuumaA
Tm104 7
o
Jedinica jačine magnetnog polja je:m
A
Svako magnentno polje u vakuumu može se opisati bilo pomoćumagnetne indukcije B ili pomoću jačine magnetnog polja H
Struktura magnetnog polja, koje stvaraju električne struje zavisi od:
- geometrijske konfiguracije strujnih provodnika i
- intenziteta struja u njima
Pored vektora B, za kumulativno opisivanje magnetnog polja koristi sejoš jedna vektorska veličina - vektor jačine magnetnog polja H
Pozitivan smer proticanja struje određuje se po pravilu desne zavojniceu odnosu na proizvoljno izabrani smer obilaženja po konturi C
IldBC
o
Za sva magnetna polja električnih struja važi Amperov zakon ocirkulaciji vektora magnetnog polja:
linijski integral vektora B po nekoj zatvorenojkonturi (cirkulacija vektora B) srazmeran jealgebarskom zbiru struja koje prolaze krozpovršinu koja se oslanja na tu konturu
IldH
C
ili
Na osnovu Amperovog zakona moguće je odrediti magnetno polje za:
Pravolinijski provodnik
Solenoid
IaH 2
a
IH
2
INdH
d
INH
Na rastojanju a od provodnika:
Za solenoid dužine d, sa N navojaka:
Opiljci.swf
U materiji, u molekulima, postoje mikrostruje - one obrazuju mnoštvoelementarnih strujnih kontura
Magnetno polje u materijalnim sredinamaMagnetno polje u materijalnim sredinama
Kada nema stranog magnetnog polja - polja mikrostruja orijentisanasu podjednako u svim pravcima - nema rezultujućeg makropolja -magnetik nije namagnećen
Kada se magnetik unese u strano magnetno polje - elektromagnetnesile delujuju na elementarne strujne konture i teže da ih postavetako, da im se polja poklope sa spoljnim (stranim) poljem
Termičko kretanje atoma i molekula suprotstavlja se ovoj tendenciji -dolazi samo do delimične orijentacije kontura mikrostruja, alirezultujuće magnetno polje ovih struja više nije nula
Materijalna sredina, u kojoj se jačina magnetnog polja bar u nekimtačkama razlikuje od one u vakuumu - magnetik
Stepen namagnetisanosti karakteriše se makroskopskom veličinom kojase naziva vektor magnetizacije M (namagnetisanost ili magnetnapolarizacija ili vektor gustine magnetnog momenta)
Unošenjem nekog tela u spoljašnje magnetno polje H, pod uticajem togpolja u telu se javlja ukupna magnetna indukcija B:
Vektor magnetizacije M zavisi od primenjenog spoljašnjeg polja H ivrste magnetnog materijala
HMHB
roo )(
Ovo je najopštija veza između vektora B, H i M, koji karakterišumakroskopsko magnetno polje
HB
o U vakuumu je M = 0, pa važi:
Razmatranja za magnetna polja električnih struja u vakuumu mogu sesa dovoljnom tačnošću primeniti i na druge materijalne sredine, čiji jeuticaj na magnetna polja slabo izražen
U odnosu na relativnu magnetnu permeabilnost r i ponašanje umagnetnom polju, svi materijali dele se u tri osnovne vrste:dijamagnetne, paramagnetne i feromagnente
• Materijali, čiji atomi i molekuli nemaju permanentne magnetnemomente
• Pod uticajem spoljašnjeg polja indukuju se magnetni dipoli, suprotnoorijentisani od tog polja i delimično ga kompenzuju (spoljašnje poljeje u njima neznatno oslabljeno)
1r
• Svi gasovi (osim kiseonika), voda, bakar, srebro, zlato, grafir, živa,silicijum, germanijum, ...
DijamagneticiDijamagnetici
voda: 999992,0r bakar: 99999,0r srebro: 99997,0r
• Pod uticajem spoljašnjeg polja, kao kod dijamagnetika, indukuju semagnetni momenti suprotno orijentisani od spoljašnjeg polja, ali sekod paramagnetika vrši i orijentacija nekih sopstvenih magnetnihmomenata u smeru polja (spoljašnje polje je neznatno pojačano)
• Materijali čiji pojedini atomi imaju permanentni magnetni moment(imaju nesparene elektrone)
1r
• I dijamagnetici i paramagnetici, nakon uklanjanja spoljašnjeg polja,vraćaju se u prethodno stanje, bez usmerenih magnetnih momenata
• Paramagnetici: aluminijum, platina, mangan, kiseonik, vazduh, ...
ParamagneticiParamagnetici
platina: 00027,1r aluminijum: 000096,1r
• Malobrojna grupa materijala (gvožđe, kobalt, nikl i neke njihovelegure) - imaju značajnu ulogu u elektrotehničkoj praksi
• U spoljašnjem polju‚ feromagnetik se trajno namagnetiše (postajepermanentni magnet)
1maxr FeromagneticiFeromagnetici
• Svojim prisustvom menjaju magnetna polja električnih struja, a mogui samostalno da stvaraju magnetna polja (stalni magneti)
• Feromagnetici imaju permanentne magnetne momente, paralelnousmerene unutar malih domena u materijalu, ali je ukupnamagnetizacija materijala nula, zbog haotične orijentacije domena
• Maksimalna vrednost r kod nekih legura znatno premašuje i vrednostod 100 000
• Kod feromagnetika veza između vektora B i H nije linearna, pa sepojam r može samo uslovno koristiti (r je funkcija od H)
• Ova pojava naziva se HISTEREZIS i karakteristična je za feromagnetike
• Magnetna indukcija B ne zavise samo od jačine polja H u trenutkuposmatranja, već i od jačine polja kome je materijal bio ranijepodvrgnut
• Ms opada sa porastom temperature i iznad jedne kritične, Kirijeve,temperature (770oC za gvožđe) potpuno se gube feromagnetna svojstva
• I kod jednih i kod drugih veličina magnetizacije M (samim tim i veličinaindukcije B) raste sa povećanjem jačine polja H po nekom složenomzakonu, do jedne granične vrednosti, koja odgovara zasićenju
)( so MHB
• Kada se svi postojeći magnetni dipoli u materiji orijentišu u pravcuspoljašnjeg polja, M prestaje da raste, dobija graničnu vrednost Ms imagnetna indukcija dobija vrednost:
• Materijali kod kojih je histerezis jako izražen - tvrdi u magnetnompogledu, a oni sa slabo izraženim histerezisom - meki feromagnetici
Na slici je karakteristika magnećenja feromagnetnog materijala, kojije prethodno potpuno razmagnetisan:
Sa povećanjem jačine polja,počevši od nule, B raste
Ovaj rast u početku je brži, akasnije usporava i na kraju kriva sepribližava pravoj sa vrlo malimnagibom prema apscisnoj osi
Kada magnetizacija M dostignevrednost zasićenja Ms, a poljemaksimalnu vrednost Hm, daljepovećanje B potiče samo od članaoH
Kriva 0 – a1 važi za feromagnetik koji prethodno nije bionamagnetisan i naziva se prvobitna kriva magnećenja
Magnetne karakteristike feromagnetika predstavljaju se pomoću krivihmagnećenja, koje prikazuju funkcionalnu zavisnost B = f (H)
Ako polje H dostigne vrednost -Hm, B će dostići svoju maksimalnunegativnu vrednost (tačka b1)
Sa promenom polja od -Hm ka Hm, magnetna indukcija se menja pokrivoj b1 – a2
Tačka a2, koja odgovara polju Hm, je ispod tačke a1, na prvobitnojkrivoj magnećenja
U ponovljenom ciklusu magnećenja krivu B(H) činiće grane: a2 – b2
i b2 - a3
Kada se posle dostizanjamaksimalne vrednosli Hm
počne smanjivati jačina polja,smanjivaće se i magnetnaindukcija, ali će joj vrednostibiti veće od odgovarajućihvrednosti na prvobitnoj krivojmagnećenja
Ponavljajući ciklus magnećenja više puta, ove razlike postaju svemanje, tako da posle desetak ciklusa kriva magnećenja prelazi uzatvorenu simetričnu krivu, koja se naziva histerezisni ciklus
Kada jačina polja postane jednakanuli, magnetna indukcija neiščezava već zadržava nekiintenzitet Br, koji se nazivaremanentna indukcija
Pri promeni smera i porastu polja H, magnetna indukcija opada, da bikod jačine polja Hc postala jednaka nuli
Jačina polja Hc naziva se koercitivno polje ili koercitivna sila
Objašnjenje: po nestankuspoljašnjeg polja, ne vraćaju sesvi elementarni magnetni dipoli uhaotičan poredak
Sledeći dijagram prikazuje tipične zavisnosti relativnepermeabilnosti i magnetne indukcije od jačine polja:
Kod feromagnetnih materijala r nije konstantna veličina, već višeznačnafunkcija jačine polja H
Veza između vektora B i H nije linearna
B je složena funkcija od H; oblik ove funkcije dosta se razlikuje kod raznihferomagnetnih materijala
Feromagnetici imaju vrlo veliku relativnu permeabilnost r – kod nekihmaksimalna vrednost prelazi i 100 000
Sa povećanjem jačine polja H, magnetizacija M raste do jedne granice Mz,koja predstavlja magnetno zasićenje (Mz je najveća magnetizacija koja seza dati materijal može postići
Povećavanjem H preko granice zasićenja, B se neznatno linearnopovećava, isto kao i kada je sredina vakuum ili vazduh
Može se smatrati da preko granice zasićenja magnetna indukcija imapribližno konstantnu vrednost
Feromagnetici imaju remanentni magnetizam
Nelinearnost i višeznačnost karakteristike magnećenja (histerezis)
Gubitak feromagnetnih osobina na temperaturama višim od kritične(Kirijeve) temperature
RezimirajuRezimirajućći ukratko, za feromagnetne materijale vai ukratko, za feromagnetne materijale važži ...i ...
Recommended